учебник по ОПОВ

защищает от испарения сжиженные газы и легкие нефтепродукты при их хранении в изотермических резервуарах.

Если изоляцию выполняют для предотвращения тепловых потерь от изолируемой поверхности в окружающую среду, она называется тепловой. Изоляция, которую устанавливают для предотвращения движения теплоты из окружающей среды к более холодной изолируемой поверхности, называется холодильной.

В связи с широким развитием в промышленности технологических процессов, протекающих в условиях высоких температур и давлений, а также глубокого холода, роль и значение тепловой изоляции непрерывно возрастают.

Различают теплоизоляционные материалы жёсткие (плиты, блоки, кирпич, скорлупы, сегменты и др.), гибкие (маты, матрацы, жгуты, шнуры и др.), сыпучие (зернистые, порошкообразные) и волокнистые. По виду основного сырья теплоизоляционные материалы подразделяют на органические, неорганические

и смешанные.

К органическим теплоизоляционным материалам относят, прежде всего, материалы, получаемые переработкой неделовой древесины и отходов деревообработки (древесноволокнистые плиты и древесностружечные плиты), сельскохозяйственных отходов (соломит, камышит), торфа (торфоплиты). Эти теплоизоляционные материалы, как правило, отличаются низкой водо- и биостойкостью. Указанных недостатков лишены так называемые газонаполненные пластмассы (пенопласты, поропласты, сотопласты и др.) — высокоэффективные органические теплоизоляционные материалы с объёмной массой от 10 до 100 кг/м3. Характерная особенность большинства органических теплоизоляционных материалов — низкая огнестойкость, поэтому их применяют обычно при температурах не свыше +150 °С.

Более огнестойки теплоизоляционные материалы смешанного состава (фибролит, арболит), получаемые из смеси минерального вяжущего вещества и органического наполнителя (древесные стружки, опилки).

Неорганические теплоизоляционные материалы — минеральная вата и изделия из неё (среди последних важны минераловатные плиты: твёрдые и повышенной жёсткости), лёгкие и ячеистые бетоны (газобетон и пенобетон), пеностекло, стеклянное волокно, изделия из вспученного перлита (рис. 1.5.8.).

Изделия из минеральной ваты получают переработкой расплавов горных пород или металлургических (доменных) шлаков в стекловидное волокно. Объёмная масса изделий из минеральной ваты 75—350 кг/м3.

Неорганические теплоизоляционные материалы, используемые в качестве монтажных, изготовляют на основе вспученных горных пород (вермикулита, перлита).

60

Для изоляции промышленного оборудования и установок, работающих при температурах выше +1000°С (нагревательных печей, топок, котлов), применяют так называемые легковесные огнеупоры, изготовляемые из огнеупорных глин или высокоогнеупорных окислов в виде штучных изделий (кирпичей, блоков различного профиля). Также используют волокнистые теплоизоляционные материалы из огнеупорных волокон и минеральных вяжущих веществ (коэффициент их теплопроводности при высоких температурах в 1,5—2 раза ниже, чем у имеющих ячеистое строение).

Рис.1.5.8. Теплоизоляция из каменной ваты.

Стекло, керамика, эмали

Стекло - общее название материалов, получаемых сплавлением двуокиси кремния с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов (Al2O3, В2O3), оксидами переходных металлов. Стёкла аморфны, являются твёрдыми растворами. Отличительная особенность стёкол – прозрачность и хрупкость. В химической технике широко применяются стёкла, отличающиеся минимальным линейным расширением, стойкостью и тугоплавкостью.

Алюмоборосиликатные стекла содержат (60…65) % SiO2; (15…16) % Al2O3;

(15…16) % В2O3; (1…2) % Na2O; (11…12) % CaO и (6…7) % MgO, а также до 15 %

оксидов Mo, V, W и до 2% F. Это основной тип химически стойких стёкол, они выдерживают нагрев до (450…1000)OC; стойки к любым реагентам, кроме HF (плавиковой кислоты), крепких щелочей и ортофосфорной кислоты (при t>150 ОС); оптически изотропны и прозрачны в области λ>300 нм; отличаются малым линейным расширением: α=(0,5…1,2)·10-6 К-1.

Кварцевое стекло содержит (98…99,5)% SiO2. Кварцевое стекло получают электротермическим плавлением наиболее чистого кварцевого песка при (1750…1800)OC. Кварцевое стекло выдерживает длительный нагрев до (1100…1200)OC; кратковременный - до (1300…1400)OC. Изделия из кварцевого стекла стойки к любым реагентам, кроме плавиковой кислоты и ортофосфорной кислоты (при t>250 ОС); газонепроницаемы при температурах до 1300OC; оптически прозрачны в области λ>180 нм; отличаются наименьшим линейным расширением: α=(0,3…0,7)·10-6 К-1.

61

термостойкостью и твёрдостью, стойки к любым реагентам, кроме плавиковой кислоты, крепких щелочей и ортофосфорной кислоты. Недостаток – хрупкость и низкая термомеханическая прочность. Керамику используют для изготовления труб; арматуры; защитных гильз; фильтрующих элементов; облицовочных плиток и кирпичей; диафрагм для электролизёров. Выпускается кислотоупорный кирпич для футеровки химического оборудования, крупноблочная керамика для аппаратов башенного типа, например, в производстве серной кислоты. Трубопроводы из кислотостойкой керамики широко применяют для транспортировки серной и соляной кислот.

Каменные и силикатные материалы

Жаропрочный кислотостойкий бетон (искусственный каменный материал)

применяется для бетонирования днищ башенного оборудования сернокислотного производства, для изготовления фундаментов под оборудование. Надежно работает в условиях (900-1200)°С. В последнее время находят применение полимербетоны на основе органических смол, которые обладают высокой стойкостью к действию концентрированных кислот, щелочей, бензола, толуола и фторсодержащих сред.

Природные силикатные материалы: диабаз, базальт, асбест, хризотил, андезит обладают высокой кислотостойкостью, исключение составляет хризотил, который не стоек в кислотах, но устойчив к действию щелочей. Все эти материалы обладают хорошими физико-механическими свойствами и широко используются в качестве конструкционных, теплоизоляционных и футеровочных материалов.

1.5.2Контрольные вопросы по теме «Неметаллические материалы»

Какие материалы называют композиционными?

От чего зависят свойства композиционных материалов?

Что может быть использовано в качестве компонентов композиционных материалов?

Какие полимеры (линейные или пространственные) – основа термопластиков (термопластичных полимеров)?

Применение пластмасс в химической промышленности.

Что входит в состав сложных пластмасс?

Как называется термопластичный полимер, отличающийся исключительной химической стойкостью?

Какая термореактивная смола наиболее распространена в химическом машиностроении?

Применение лавсана в химическом машиностроении.

Что является основой резины?

Что такое эбонит?

Применение резин в химическом машиностроении.

Из чего изготавливают сальниковую набивку?

Каково назначение теплоизоляции?

Перечислить теплоизоляционные материалы.

Что изготавливают из стекла в химическом машиностроении?

Какие материалы применяют в качестве футеровочных?

63

2 РАЗДЕЛ. ХИМИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

2.1 Основные узлы и детали химического оборудования

Химическое оборудование разнообразно по конструкции. После изучения условий работы аппаратов и машин, предназначенных для однотипных процессов, проведена большая работа по их унификации и стандартизации. Например, стандартизированы теплообменная аппаратура, горизонтальные резервуары, центрифуги, сушилки и многие другие аппараты и машины.

Большая часть химических машин и аппаратов в связи со специфическими условиями работы являются нестандартными. Однако их изготавливают из сравнительно небольшого числа однотипных узлов и деталей. Это дает возможность конструировать аппараты из стандартных и нормализованных элементов. Основными элементами химической и нефтехимической аппаратуры являются : обечайки, днища, фланцы, штуцера, бобышки, опоры, люки, лазы, смотровые окна. (рис.2.1.1. )

Рис.2.1.1. Основные узлы сосудов: 1-сферическое днище; 2-обечайка; 3-патрубок; 4-кольцевой шов; 5-продольный шов

2.1.1 Обечайки (оболочки) аппаратов

Обечайка – открытый с торцов цилиндрический или конический барабан (без днищ), являющийся заготовкой для паровых котлов, баков, резервуаров, реакторов, колонн (рис.2.1.2.) Обечайки получают вальцовкой при толщине листа до 40мм, раскаткой - при большей толщине листа. Стык листов замыкают. Обечайки с днищем под сварку или клепку производят, в основном, с помощью стяжных колец.

Рис.2.1.2. Обечайка

64

Длина обечаек определяется в зависимости от конструктивных размеров аппарата. При выборе длины обечайки необходимо учитывать возможности наиболее рационального раскроя листов материала.

Обечайки могут быть тонкостенными и толстостенными. Под наружным давлением находятся вакуумные аппараты, корпуса аппаратов с рубашками. Решающим обстоятельством при действии наружного давления является

устойчивость цилиндрической формы оболочки.

Тонкостенные обечайки, нагруженные наружным давлением, могут потерять свою первоначальную форму и расплющиваться при напряжениях, значительно меньших, чем разрушающие.

Давление, при котором обечайка начинает деформироваться, называют критическим. Различают длинные и короткие обечайки. Длинными считают оболочки, у которых расстояние между днищами, фланцами или укрепляющими кольцами превышает десять диаметров аппарата. Элементы жесткости на концах оболочки не оказывают укрепляющего действия при её деформации в средней части.

2.1.2 Днища

Для цилиндрических сосудов и аппаратов применяют сферические,

эллиптические, конические или плоские днища.

Эллиптическое днище – одно из основных типов днищ, применяемых для аппаратов, работающих под давлением. Поперечное сечение днища представляет собой половину эллипса. Эллипс имеет непрерывно меняющийся радиус кривизны. Благодаря этому в днище не наблюдается концентрации напряжений, которая создается при резком изменении профиля днища. Обычно отношение высоты эллиптической части к диаметру равно приблизительно 0,25. (рис. 2.1.3.)

Рис.2.1.3. Эллиптическое днище аппарата

Полушаровые (сферические) днища применяют, в основном, у аппаратов, имеющих большой диаметр (>4м). Сфера является идеальной формой оболочки, так как в ней совсем не возникают изгибающие напряжения (рис.2.1.4.).

65

Плоские днища наиболее просты в изготовлении. Однако их толщина значительно больше, чем у выпуклых днищ, работающих в тех же условиях. Поэтому их нецелесообразно применять для аппаратов, работающих под значительным давлением (рис. 2.1.5.).

Конические днища устанавливают в тех случаях, когда в аппарате находятся сыпучие вещества или очень вязкие жидкости, выгрузка которых затруднена. Их применяют также для перехода с одного диаметра на другой. Угол у основания обычно 90 или 120°. Конические днища делают отбортованными и неотбортованными (рис.2.1.6.).

Рис. 2.1.6. Аппарат с коническим днищем

2.1.3 Фланцы

Фланцы служат для соединения частей аппаратов, присоединения трубопроводов и других устройств. Герметичность фланцевого соединения обеспечивается прокладкой, которая деформируется при затягивании фланцев и заполняет все неровности на присоединенных поверхностях.

Существует широкий ассортимент фланцев стальных: фланцы коррозионностойкие, нержавеющие, фланцы из углеродистых и легированных сталей, фланцы хладостойкие и жаропрочные, фланцы равнопроходные и фланцы переходные, фланцы плоские и фланцы воротниковые.

Фланец плоский – это соединительная часть трубопроводов, арматуры, валов, сосудов, резервуаров, приборов, состоящая из диска с отверстиями для болтов (или шпилек). Фланец плоский является наиболее часто применяемым соединительным элементом трубопроводов. В англоязычной промышленной

66

терминологии за фланцами плоскими закрепилось название Slip On Flange, или

SO Flange.

Фланец плоский применяется для плотного и герметичного соединения отдельных частей трубопроводов низких и средних давлений. Используют фланец плоский на трубопроводах, где рабочее составляет 0,1 - 2,5 МПа, а температура рабочей среды находится в пределах от -70°С до +450°С.

При монтаже плоский фланец насаживается на трубу и приваривается к ней двумя сварными швами вдоль окружности трубы. Фланцы плоские удобны в монтаже и использовании в промышленных целях (рис.2.1.7., рис.2.1.8.,

рис.2.1.9.).

Рис. 2.1.7. Плоский фланец

Основное преимущество применения фланцев стальных - обеспечение герметичного сборно-разборного соединения участков трубопроводов, сосудов, ёмкостей, аппаратов, резервуаров, содержащих или транспортирующих вещества в жидкой или газообразной фазе. Фланцы не являются скрепляющими деталями, а служат опорой для крепежа.

Кроме плоских фланцев есть воротниковые фланцы (рис.2.1.10.).

Рис.2.1.10. Фланцевое соединение фланцев плоских и воротниковых фланцев

67

Фланцевое соединение сферического днища с корпусом сосуда или аппарата представлено на рис. 2.1.11.

Рис. 2.1.11. Фланцевое соединение сферического днища с корпусом аппарата

Качество и надежность фланцевого соединения во многом зависит от уплотнительной прокладки, более того, применение прокладок необходимо. Для уверенности в правильности выбора прокладки необходимо верно выбрать материал и конструкцию прокладки, а также правильно её установить.

Существуют мягкие неметаллические, полуметаллические и полностью металлические прокладки для фланцевых соединений.

Прокладку выбирают в зависимости от давления, температуры, свойств уплотняемой среды и конструкции фланцевого соединения. Прокладка должна быть достаточно прочной и эластичной, чтобы при затягивании болтов хорошо уплотнить фланцевое соединение и надежно работать в условиях заданной температуры и среды.

Рис.2.1.12. Силы, действующие на фланцевое соединение

Прокладки изготавливают из резины, паронита, хлорвинила, фторопласта, мягких металлов (медь, алюминий, низкоуглеродистое железо). По конструкции различают плоские прокладки, шнуровые и прокладки сложной формы.

Наиболее распространены плоские прокладки. При повышенных давлениях и температурах находят применение фасонные и комбинированные прокладки. Например, применяют паронитовые прокладки, армированные металлической

68

лентой или проволокой. При высоких давлениях используют прокладки в виде шлифованных металлических колец.

Кольца Армко предназначены для уплотнения фланцевых соединений с присоединительными поверхностями арматуры, трубопроводов, фланцев сосудов, аппаратов, насосов, оборудования нефте- и газодобычи, химической, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности (рис. 2.1.13.). Стальные прокладки (кольца Армко) позволяют создать уплотнение при высоких давлениях, когда прокладки других типов не применимы. Фланцевые прокладки сталь 08КП, 10985, 08Х13, 08Х18Н10, 08Х18Н10Т применяют, когда условное давление Ру от 6,3 до 16 МПа и температура от -70 до 600°С.

Повторное использование стальных уплотнений (прокладок и линз) не рекомендуется. Во время монтажа и эксплуатации происходит укрепление материала. При повторном монтаже для достижения прежней герметизации требуются более плотное затягивание болтов для фланцевых соединений, что может привести к повреждению уплотнительных поверхностей фланцев.

Рис.2.1.13. Прокладки для уплотнения фланцевых соединений

Ответственным моментом фланцевых соединений являются крепежные детали. При низких давлениях применяют болты. При избыточном давлении вместо болтов применяют шпильки, так как в головках болтов возникают значительные местные напряжения.

Фланцевые соединения нормализованы. Их выбирают по величине условного прохода и условного давления с учетом свойств уплотняемой среды. Фланцы аппаратов и трубопроводов, работающих с ядовитыми, огне- и взрывоопасными веществами, выбирают на условное избыточное давление, даже если рабочее давление значительно ниже.

Фланцы применяют в различных сферах нефтегазовой промышленности. Не исключение - и первичный этап переработки нефти, где фланцы используют в качестве соединительных деталей продуктопроводов, запорно-регулирующей арматуры, резервуаров, колонных аппаратов и прочего оборудования.

Качество получаемых продуктов перегонки нефти во многом зависит от надёжности фланцевых соединений нефтеперерабатывающего оборудования.

69